用于分析文化遗产材料的激光烧蚀APCI-HRMS方法

《Journal of the American Society for Mass Spectrometry》：Laser Ablation APCI-HRMS Method for the Analysis of Cultural Heritage Materials

激光解吸-大气压化学电离高分辨质谱（LA-APCI-HRMS）技术用于非破坏性分析文化遗产有机材料，测试了铜树脂、普鲁士蓝油彩等五种模拟材料和16世纪船wreck药膏样本，证实该技术能直接获取固体表面有机成分的高质量质谱，适用于多领域分析。

　　
文化遗产材料（如绘画、雕塑、手稿等）的化学分析面临诸多挑战，尤其是需要在不造成显著损伤的前提下获取尽可能多的化学信息。传统质谱技术（如APCI-MS）通常需要将样品溶解或切割成微小样本，这可能导致文化遗产的不可逆破坏。为此，本研究开发了一种结合激光解吸（LA）与大气压化学电离（APCI）的高分辨质谱（HRMS）系统，并验证了其在分析不同涂层材料及真实文物上的有效性。

### 技术背景与核心问题
文化遗产材料多由复杂有机混合物构成，且经过长期老化、氧化和聚合作用，化学成分高度异质化。传统分析技术存在两大痛点：其一，需破坏性取样（如刮取涂层或切割样本），难以保存珍贵文物；其二，溶剂提取或基质辅助激光解吸等前处理步骤可能引入干扰或改变原始化学状态。因此，开发一种可直接在固体表面分析、无需复杂预处理且损伤极小的技术，成为文化遗产科学领域的核心需求。

### 激光解吸-APCI-HRMS系统的创新性
该技术通过355 nm紫外激光聚焦于样品表面，利用激光能量选择性解吸目标分子，并通过APCI电离直接进入高分辨质谱（FT-ICR-MS）。相较于传统方法，其优势体现在三个方面：
1. **非接触式分析**：激光通过光学纤维耦合，结合1.2米长耐高温传输线，实现远距离非接触解吸，避免热效应对表面结构的影响。
2. **深度可控的损伤限制**：实验通过调节激光脉冲能量（2.88-3.2 mJ）和脉冲数（7次），确保每次解吸仅形成直径小于0.4毫米的微坑，且使用显微三维形貌仪验证了表面损伤可控性。
3. **全流程自动化**：激光解吸与质谱数据采集同步完成，通过定制化软件（Varian Omega 9.2.29）实现激光脉冲与质谱离子采集的精确时序控制，避免信号丢失。

### 实验设计与验证方法
研究团队构建了包含激光发生系统、光学聚焦模块、传输线和质谱仪的四联装置。关键参数优化包括：
- **激光参数**：脉冲宽度5纳秒，重复频率10 Hz，能量密度3.8 J/cm2（针对不同材料动态调整）
- **传输系统**：采用内径1毫米的PTFE管（长度1.2米）实现真空环境下分子传输，压力梯度控制在890-910 mbar
- **电离条件**：通过调节毛细电压（20-80 V）和APCI电流（2-4 μA），适配不同极性的有机物

验证实验分为三阶段：
1. **铜树脂（Copper Resinate）对照实验**：将同一样本分别采用固体直接解吸（LA-APCI）和溶液电离（常规APCI）进行对比，结果显示两种方法获取的质谱峰位偏差均小于±2 ppm，且固体分析能更完整捕获大分子聚合物（如C40化合物）。
2. **多层仿制样品测试**：在木质基底上构建3层结构（底漆-颜料-罩漆），通过调节激光能量和扫描路径，成功实现单层解析（如仅检测顶层 dammar罩漆），验证了技术的分层分析能力。
3. **真实文物分析**：对沉船文物中15世纪药膏残留物进行测试，发现其含有典型松脂（如长叶烯）衍生物及木焦油特征分子（如retene，分子量234），与文献报道一致。

### 关键发现与科学意义
#### 1. 材料分析效能对比
- **有机树脂类材料**（如铜树脂、 dammar罩漆）：固体直接解吸的质谱峰强度较溶液法提高2-3倍，且能检测到分子量＞800的聚合物（如C60化合物），这对研究树脂老化机制具有突破性意义。
- **油性颜料**（如普鲁士蓝油画）：激光解吸效率显著优于溶剂提取，特别是对于含高饱和脂肪酸（如棕榈酸）的介质，固体分析可保留＞85%的原始分子结构。
- **颜料-树脂复合体系**：在多层结构中，通过控制激光入射角度（90°垂直照射）和能量密度，成功实现各涂层选择性解吸，为分析多层画作提供了新方法。

#### 2. 技术优势量化评估
- **损伤控制**：使用三维光学显微镜（精度0.1 μm）测量发现，激光解吸在木基材料上仅产生2-5 μm深、0.4 mm直径的微坑，较传统机械刮样损伤减少97%。
- **检测灵敏度**：对0.1%浓度的有机物（如胆固醇）仍可检测到S/N＞100，定量分析误差控制在±5%以内。
- **分析速度**：单次解吸（7脉冲）耗时仅0.7秒，较溶液前处理+质谱分析（需≥30分钟）效率提升50倍。

#### 3. 老化机制研究突破
- **聚合物形成路径**：在铜树脂分析中发现，固体表面解吸的C40化合物比例（峰值强度达基峰的18%）显著高于溶液法（6%），表明该技术能更完整捕获树脂聚合过程。
- **氧化损伤定位**：普鲁士蓝油画中检测到特征性羰基化合物（如3-羟基胆固醇，分子量401），与文献报道的油性介质氧化产物完全吻合，证实技术可有效识别材料降解位点。

### 技术局限性及改进方向
1. **光吸收限制**：对低吸收率材料（如铅白颜料）解吸效率不足，需开发多波长激光源（266nm/532nm/355nm组合）。
2. **离子传输损耗**：实验显示，在复杂有机物（如多聚松香）中，约12%的离子未能到达质谱检测器，未来需优化传输线材料（考虑石墨烯涂层）。
3. **定量分析挑战**：目前仍以定性分析为主，需开发同位素标记内标法提升定量精度。

### 应用前景扩展
该技术已成功应用于：
- **艺术修复**：对文艺复兴时期油画的颜料层进行无损成分分析
- **文物鉴定**：通过松香/树脂特征谱库比对，可准确区分18-19世纪与中国古代漆器
- **材料考古**：在三星堆青铜器表面检测到纳米级铜绿（CuCO3）结晶结构

未来可拓展至：
1. **多组分同步分析**：通过开发串联质谱（MS/MS）模块，实现分子结构解析
2. **三维成像分析**：结合显微CT技术，构建样品表面化学成分三维图谱
3. **便携式设备开发**：将光学纤维直径缩小至0.2mm，实现手持式设备应用

### 结论
本研究证实，LA-APCI-HRMS技术能以亚微米级损伤实现文化遗产有机材料的无损分析，其检测灵敏度和分辨率达到当前行业领先水平（LOD=0.1 ng/cm2，分辨率＞10000）。该技术为解决以下关键问题提供了解决方案：
1. **材料原真性验证**：通过比对历史文献记载的化学成分（如15世纪药膏中的松香比例），可验证修复方案的化学相容性
2. **老化过程追溯**：连续监测同一位置材料成分变化（如 dammar树脂氧化度年变化率＜0.5%）
3. **工艺技术研究**：解析古代颜料中特有配方（如坦培拉画中的蛋黄蛋白结构）

该技术的成功验证标志着文化遗产分析从"破坏性采样"向"无损原位诊断"的范式转变，为建立全球文化遗产化学数据库提供了关键技术支撑。